Методическая статья

Монослоя Связаться легирования кремния поверхностей и нанопроволок Использование фосфорорганических соединений

DOI:

10.3791/50770

⸱

2 декабря 2013 г.

 ,  ,  ,  , 
1Institute of Chemistry, The Hebrew University of Jerusalem, 2Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Подробно описана процедура поверхностного легирования кремниевых интерфейсов. Легирование сверхповерхностной поверхности проявляется за счет использования фосфорсодержащих монослоев и быстрого процесса отжига. Метод может быть использован для легирования поверхностей макроскопических областей, а также наноструктур.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Монослойное контактное легирование (MLCD) - это простой метод легирования поверхностей и наноструктур1. Результатом MLCD является формирование высококонтролируемых, ультраглубоких и острых профилей легирования в нанометровом масштабе. В процессе MLCD источником легирующей примеси является монослой, содержащий атомы легирующей примеси.

В этой статье подробно описывается процедура поверхностного легирования кремниевой подложки, а также кремниевых нанопроволок. Источник легирующей примеси фосфора формировали с помощью монослоя тетраэтилметилендифосфоната на кремниевой подложке. Этот монослой, содержащий подложку, приводили в контакт с нетронутой внутренней кремниевой подложкой-мишенью и отжигали во время контакта. Сопротивление листа целевой подложки измеряли с помощью 4-точечного зонда. Собственные кремниевые нанопроволоки были синтезированы методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) с использованием механизма пар-жидкость-твердое тело (VLS); Наночастицы золота использовались в качестве катализатора для роста нанопроволоки. Нанопроволоки были суспендированы в этаноле с помощью мягкой ультразвука. Эта суспензия была использована для капельного литья нанопроволок на кремниевую подложку с верхним слоем диэлектрика нитрида кремния. Эти нанопроволоки были легированы фосфором таким же образом, как и для внутренней кремниевой пластины. С помощью стандартного процесса фотолитографии были изготовлены металлические электроды для формирования полевого транзистора на основе нанопроволоки (NW-FET). Электрические свойства репрезентативного нанопроволочного устройства измерялись с помощью анализатора полупроводниковых устройств и зондовой станции.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Контролируемое поверхностное легирование полупроводниковых структур с макроскопическими областями, а также на наноуровне важно для передовых архитектур полупроводниковых устройств, таких как FinFet2,3, а также для устройств на основе наноструктур, таких как датчики на основе нанопроволоки и фотовольтаика4-7. Недавно мы представили монослойное контактное легирование (MLCD) для повторяемого, равномерного поверхностного легирования кремниевых границ с макроскопическими и нанометрическими размерами с контролем дозы легирующей примеси и профиля диффузии1. Важной особенностью MLCD является ограничение образования монослоя субстратом, который называется «донорским субстратом». MLCD упрощает некоторые технологические этапы, необходимые для монослойного контактного легирования (MLCD), и обеспечивает дополнительные возможности поверхностного легирования8. После того, как донорная подложка загружена монослоем, содержащим легирующую примесь, с использованием самоограничивающейся поверхностной химии, донорная подложка приводится в контакт с подложкой, предназначенной для легирования, называемой «целевой подложкой», и обе подложки отжигаются во время контакта. В процессе отжига атомы легирующей примеси диффундируют как к донорским, так и к целевым субстратам и активируются при повышенной температуре. Поскольку MLCD не требует высокоэнергетической имплантации атомов легирующей примеси, во время процесса полупроводниковая решетка не повреждается структурой, и не требуется дальнейший этап отжига. Хороший контроль над диффузией легирующей примеси возможен за счет управления быстрыми параметрами термического процесса. Легко достигается сверхглубокая и равномерная длина диффузии легирующей примеси с точностью до нескольких нанометров. Отделение монослоя от технологической последовательности упрощает процесс, позволяет лучше контролировать параметры процесса и открывает новые возможности для схем легирования, которые были невозможны при использовании других методов. Достижение уровня легирующей примеси, равного пределу растворимости фосфора в кремнии, возможно благодаря последовательному применению нескольких процессов легирования MLCD. Подводя итог, можно сказать, что традиционные методы допинга имеют внутренние ограничения для изготовления ультраповерхностных профилей легирования. Это связано с присущими им статистическими вариациями концентраций источника, общей дозы и распределения энергии, которые присущи низким энергиям имплантации, необходимым для ультраповерхностной имплантации. MLCD предоставляет простые средства поверхностного легирования, это является результатом уникальных особенностей MLCD, основанных на точном контроле дозы и местоположения легирующей примеси на атомном уровне путем использования надежной поверхностной химии для создания источника легирующей примеси с самоограничивающейся монослойной химией, образующейся исключительно на поверхности полупроводника.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Очистка поверхностей

  1. Приготовьте кислый раствор пираньи, смешав перекись водорода 1:3 (30%) и концентрированную серную кислоту.<бр/> Внимание: Растворы пираний являются чрезвычайно сильными и опасными окислителями и должны использоваться с особой осторожностью. Эти растворы могут взорваться при контакте с органическими растворителями. Выполнять процедуру может только квалифицированный персонал с соответствующей подготовкой и оборудованием для обеспечения безопасности.
  2. Поместите субстраты (в дальнейшем используемые в качестве донорских и целевых субстратов) в соответствующий держатель и вставьте в раствор пираньи на 15 минут.
  3. Промойте образцы в деионизированной воде 3 раза.
  4. Приготовьте базовый раствор пираньи, смешав гидроксид аммония в соотношении 1:1:5 (25%), перекись водорода (30%) и деионизионную воду.
  5. Поместите субстраты (позже использованные в качестве донорских и целевых субстратов) в соответствующий держатель и вставьте в основу раствор пираньи и поместите в ультразвуковую ванну при температуре 60 °C на 8 минут.
  6. Промойте образцы в деионизированной воде 3 раза.
  7. Промойте образцы в этаноле, а затем высушите феном под струей азота.
  8. Высушите образцы в духовке при температуре 115 °C в течение 10 минут.

2. Формирование монослоя

  1. Приготовьте 1% v/v раствор тетраэтилметилендифосфоната в мезитилене.
  2. Поместите донорские субстраты в безопасную для давления пробирку, содержащую раствор метилендифосфоната мезитилена, запечатайте и нагрейте при 100 °C в течение 2 ч<бр/> Важно: При нагревании растворителя в герметичном флаконе создается давление. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы используемый сосуд был подходящим и выдерживал создаваемое давление. Закрытый флакон с растворителем не следует нагревать близко к температуре кипения растворителя или выше. Флакон нельзя открывать в горячем состоянии.
  3. Дайте флакону остыть, откройте флакон и промойте образцы 3 раза в мезитилене, 3 раза в дихлорметане и высушите феном под струей азота><. * Для легирования нанопроволок перейдите к шагу 3, для легирования пластин перейдите к шагу 5.

3. Синтез нанопроволок

  1. Очистите предметное стекло микроскопа в кислородной плазме в течение 2 мин.
  2. Нанесите несколько капель раствора поли-L-лизина на предметное стекло, чтобы полностью покрыть его, подождите 5 минут, затем смойте деионизированной водой и высушите азотом феном.
  3. Нанесите несколько капель коллоидного раствора золота на предметное стекло, чтобы полностью покрыть его, подождите 2 минуты, затем смойте деионизированной водой и высушите феном с азотом.
  4. Удалите органические загрязнения с помощью кислородной плазмы в течение 30 секунд.
  5. Вставьте предметное стекло с наночастицами золота в CVD-камеру и вакуумируйте.
  6. Предварительно уравновесьте камеру при 440 °C, 35 торр и 50 куб. см потокаH2.
  7. Начните процесс осаждения с потока газа SiH4, потока 2 кубических метра. Выполните процесс CVD в течение 30 минут, чтобы получить нанопроволоки длиной примерно 50 мкм.
  8. Измерьте длину нанопроволок (с помощью СЭМ или оптического микроскопа с использованием фильтра темного поля). Если с помощью оптического микроскопа измерить длину нанопроводов, стоящих по краям образца, то там должно быть легко найти провод, торчащий параллельно поверхности.

4. Каплей нанопроволоки на подложку

  1. Суспендируйте нанопроволоки в этаноле. Поместите предметное стекло с нанопроволочной пленкой, приготовленной на шаге 3, во флакон и добавьте этанол, чтобы покрыть предметное стекло лишним уровнем жидкости ~1 см.
  2. Обработайте флакон ультразвуком в течение 3 сек, раствор должен стать слегка мутным.
    Важно: Подвешенные нанопроволоки имеют тенденцию к агрегации, так как суспензия нестабильна; Поэтому его следует использовать вскоре после приготовления, до начала агрегации.
  3. Поместите подложку Si3N4/SiO2/Si на горячую плиту, предварительно нагретую до 150 °C. Добавьте несколько капель суспензии нанопроволоки на нагретую поверхность. После того, как жидкость высохнет, проверьте плотность нанопроволок на поверхности после процесса капельного литья с помощью оптического микроскопа с фильтром темного поля. Для достижения высокого выхода одиночных нанопроволочных устройств процесс должен иметь поверхностную плотность около 100 нанопроволок на 1мм2 при минимальной длине нанопроволоки ~20 мкм.

5. Быстрый термический отжиг

  1. Поместите целевую подложку (собственную кремниевую пластину или нанопроволоку, отлитую в подложку на предыдущих этапах) на донорскую подложку таким образом, чтобы мишень была обращена к донорской подложке.
  2. Поместите две подложки в камеру RTA и закройте дверцу камеры.
  3. Опорожните камеру, продуйте аргоном, затем снова эвакуируйтесь. Этот шаг гарантирует, что в камере не останется кислорода или других нежелательных остатков газа.
  4. Отжигайте подложки при желаемой температуре и времени. Уровень легирования, определяемый значением сопротивления листа, зависит от времени отжига и температуры (рис. 1). Продемонстрирован процесс при температуре отжига 1 000 ºC и времени отжига 40 секунд. Как правило, применяется время отжига 5-120 сек. Время нарастания температуры должно быть как можно короче, в зависимости от технических характеристик системы отжига. Здесь используется 6-секундное время нарастания от комнатной температуры до температуры процесса.

6. Измерение сопротивления листа

  1. Погрузите образец, легированный MLCD, в 1% раствор фтористоводородной кислоты на 5 мин для удаления оксидного слоя.
  2. Промойте деионизионной водой, изопропанолом и высушите феном струей азота.
  3. Измерьте сопротивление листа с помощью четырехточечного щупа. В данном примере используется Jandel RM3-AR и имеет специальную систему автоматического измерения сопротивления листа. Типичный применяемый ток находится в диапазоне 1-10 мкА.

7. Изготовление и определение характеристик нанопроволочных устройств

  1. Нагрейте образец на горячей плите при 120 °C в течение 5 минут.
  2. Пальто AZ nLOF2020 фоторезист при 4 000 об/мин.
  3. Выпекать образец при температуре 110 °C в течение 75 секунд с помощью вакуумной горячей пластины.
  4. Экспонируйте при давлении 40 мДж/см2 с источником света 365 нм с помощью выравнивателя маски и маски шаблона электродов.
  5. После выдержки при температуре 110 °C образцы снова выпекайте на вакуумной горячей плите.
  6. Проявите образцы в растворе AZ726MIF течение 70 секунд, промойте в деионизированной воде и высушите струей азота.
  7. Испарить 100 нм никеля с помощью электронно-лучевого испарителя.
  8. Выполнение подъема с помощью горячего (80 °C) растворителя N-метил-2-пирролидона (NMP).
  9. Осмотрите подложку, чтобы найти успешно сформированные в процессе устройства NW-FET, и зарегистрируйте их местоположение. Это легко сделать с помощью оптического микроскопа с фильтром темного поля при условии формирования адресных маркеров.
  10. Измеряйте вольт-амперные кривые для выбранных устройств с помощью анализатора полупроводниковых приборов и настройки зондовой станции. Поместите образец на проводящий столик, который подключен к анализатору в качестве клеммы затвора. С помощью камеры микроскопа зондовой станции подойдите к иглам зонда рядом с электродами аппарата и аккуратно коснитесь иглами электродов. Иглы должны быть подключены к анализатору в качестве выходных и дренажных клемм.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Репрезентативные результаты процесса поверхностного легирования фосфором-MLCD показаны на рисунке 1. Собственные кремниевые пластины были обработаны фосфором-MLCD, что привело к монотонному снижению значений сопротивления листа. Значения сопротивления листа уменьшаются при более длительном времени отжига и более высоких температурах отжига, как показано на трех трассах на рисунке 1. Значения стойкости листа могут быть коррелированы с активированной концентрацией легирующей примеси. Более...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MLCD является простым и воспроизводимым методом. Тем не менее, необходимо уделять внимание очистке поверхности и формированию монослоя. Очистка поверхностей «Пиранья» перед процессом MLCD важна не только с целью предотвращения возможных загрязнений, но и для инициализации поверхности для формирования воспроизводимого монослоя, обеспечивающего воспроизводимые результаты между процессами. Обработка пираньей приводит к гидроксилированию поверхностных групп, что необходимо для связывания молекул-предшественников с поверхност...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Конфликт интересов не декларируется.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была частично профинансирована Центром световых индуцированных процессов Фаркаса.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Высокочистые кремниевые пластиныTopsil-50
нм Si3N4/50 нм SiO2/Si пластиныSilicon Valley Microelectronics-Sulfuric
Кислота 98%BioLab19550523
перекись водорода 30%J.T. Baker2190-03
Гидроксид аммония 25%J.T. Baker6051
ЭтанолJ.T. Baker8025
МезитиленSigmaM7200
ДихлорметанМакрон4881-06
ТетраэтилметилендифосфонатОлдрич359181
минеральное маслоSigmaM3516
Плавиковая кислота 49%J.T. Baker9564-06
ИзопропанолJ.T. Baker9079-05
N-метил-2-пирролидон J.T. Baker9397-05
AZ nLOF2020AZ Electronic MaterialsnLOF 2020
AZ 726 MIFAZ Electronic Materials726 MIF
Раствор поли-L-лизинаSigmaP8920
Золота коллоид решениеTed Pella82160-80
RTA системаAnnealSysMicroAS
4-точечный зонд лист измерения сопротивления система измерения JandelRM3-AR
Маска выравнивательSussMA06
e-Beam испарительVSTTFDS-141E
Полупроводниковый анализаторAgilentB1500A
Система CVD--Самодельная

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hazut, O., Agarwala, A., et al. Contact doping of silicon wafers and nanostructures with phosphine oxide monolayers. ACS Nano. 6 (11), 10311-10318 (2012).
  2. Hisamoto, D., Lee, W. -C. FinFET- A self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm. IEEE Trans. Electron Devices. 47, 2320-2325 (2000).
  3. Leung, G., Chui, C. O. Variability impact of random dopant fluctuation on nanoscale junctionless FinFETs. IEEE Electron Device Lett. 33, 767-769 (2012).
  4. Ho, J. C., Yerushalmi, R., et al. Wafer-scale, sub-5 nm junction formation by monolayer doping and conventional spike annealing. Nano Lett. 9 (2), 725-730 (2009).
  5. Peercy, P. S. The Drive to Miniaturization. Nature. 406, 1023-1026 (2000).
  6. Lu, W., Lieber, C. M. Semiconductor Nanowires. J. Phys. D. 39, R387-R406 (2006).
  7. Gunawan, O., Wang, K., Fallahazad, B., Zhang, Y., Tutuc, E., Guha, S. High Performance Wire-Array Silicon Solar Cells. Prog. Photovoltaics. 19, 307-312 (2011).
  8. Ho, J. C., Yerushalmi, R., Jacobson, Z. A., Fan, Z., Alley, R. L., Javey, A. Controlled nanoscale doping of semiconductors via molecular monolayers. Nat. Mater. 7, 62-67 (2008).
  9. Koren, E., Rosenwaks, Y., Allen, J. E., Hemesath, E. R., Lauhon, L. J. Nonuniform. Doping distribution along silicon nanowires measured by kelvin probe force microscopy and scanning photocurrent microscopy. Appl. Phys. Lett. 95, 092105(2009).
  10. Wagner, R. S., Ellis, W. C. The vapor-liquid-solid mechanism of crystal growth and its application to silicon. Trans. Metall. Soc. AIME. 233, 1053-1064 (1965).
  11. Cui, Y., Lauhon, L. J., Gudiksen, M. S., Wang, J., Lieber, C. M. Diameter-controlled synthesis of single-crystal silicon nanowires. Appl. Phys. Lett. 78 (15), 2214-2216 (2001).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи